logo

 

Les mosfet pour l'airsoft, qu'est-ce que c'est, et comment ça marche ?

Qu'est-ce que c'est ?

Ce qui est courament appellé "mosfet" dans le milieu, sont des montages électroniques plus ou moins évolués qui permettent d'améliorer de diverses façons le fonctionnement et la durée de vie des AEG.
Leur nom provient directement de celui des composants qui sont la base du montage: les transistors MOSFET.
Pour éviter toute confusion, je ferai la différence entre mosfet (le montage) et FET (le transistor tout seul).

Je précise que je n'ai jamais fait d'airsoft de ma vie, et que je n'ai même pas de répliques chez moi.
Ce n'est pas pour autant que je ne sais pas ce que je fais, et que je ne sais pas ce que les joueurs veulent.
Bon, des moments j'avoue que je fais la merde, mais c'est sans mauvaise volonté !

Un dénommé [Kicoll] me prête grâcieusement son matériel (ou pas) pour mener à bien mon projet de mosfet low-cost qui sera surement vendu sur ce site même.
Je suis bien sûr ouvert à toutes idées et remarques de la part d'autre joueurs pour développer la chose et pouvoir proposer quelque chose d'intéressant.
Plus de détails à venir...

 

Pour bien comprendre de quoi il s'agit, il faut d'abord savoir de quoi est constitué un AEG. Si vous lisez ceci, il y a de grandes chances que vous le savez déjà, mais juste au cas où:
Quand on appuie sur la queue de détente, un moteur DC alimenté par batterie fait tourner un groupe de roues dentées (appellé gearbox) utilisées en tant que réducteur, qui servent à compresser un piston contre un ressort et à charger les billes.
Le piston est relâché d'un coup, l'air comprimé chasse la bille pour cartonner les gens et le cycle recommence.

 

Comment ça marche: Le transistor

Il faut aussi savoir comment les dits transistors fonctionnent.
Je m'excuse pour ceux qui sont allérgiques à la théorie (ça me gave aussi), mais je me dois d'expliquer le minimum:

Les transistors classiques sont des composants qui ont le plus souvent 3 broches et qui servent à amplifier un courant.

Quand on parle d'amplification, ça veut pas dire que le courant est créé (il peut pas apparaître de nul part, ça serait trop beau).
"Amplification" veut dire qu'en faisant entrer un peu de courant dans une broche, on pourra en faire passer beaucoup plus entre les deux autres.
On parle d'amplification car le courant de sortie est proportionnel au courant d'entrée.

L'amplification linéaire en elle même est assez compliquée et n'est heureusement pas utilisée dans ces montages.
Les transistors ici sont uniquement utilisés pour faire passer ou non du courant (tout ou rien).

Les transistors FET (Field Effect Transistor) ont la même fonction, sauf qu'au lieu de demander une petite tension et un courant de commande comme les transistors classiques, ils demandent une tension plus grande mais quasiment aucun courant.
Outre le fait d'être putain de chers, ils ont aussi la particularité de pouvoir faire passer des courants assez énormes (>100A) sans chauffer: pas de perte d'énergie, courant max dans le moteur, et meilleure autonomie !

La broche de commande s'appelle la Grille (G), les deux autres broches ont un sens et sont appellées Source (S) et Drain (D).
Leur sens dépend du type utilisé (voir plus bas).

Le brochage le plus courant pour les FET de puissance est "GDS", c-à-d la Grille est à gauche quand on a le texte face à soi.

Il y a deux type de FET, les "Canal N" et les "Canal P". Ils font la même chose, mais dans deux sens différents.
Tous les paramètres (Vgsmax, Vgson, les courants et compagnie) sont toujours indiquées dans les documentations des composants. Google is your friend. English too.

La tension de commande s'appelle Vgs, car c'est la tension entre la Grille et la Source. Le transistor devient passant si elle atteint au moins Vgson, soit souvent environ 4V ou -4V.
La flèche en rouge sur le symbole indique si la tension Vgs doit être négative, ou positive:

  • Si elle pointe vers la Grille comme la flèche de Vgs, la tension doit être positive (Canal N).
  • Si elle est dans le sens opposé, la tension doit être négative (Canal P).

Dans les documentations, Vgson est aussi parfois appellée Vgsth ("THreshold", "seuil" en Anglais). C'est pareil.
Vgs est aussi limitée par une tension max aux alentours de 20V qu'il faut éviter de dépasser.

Vgson est positive.
La tension Vgs doit être supérieure ou égale à Vgson pour faire passer du courant (Grille plus "haute" que la Source). Le courant circulera du Drain vers la Source (flèche verte).
Vgson est négative.
La tension Vgs doit être inférieure ou égale à Vgson pour faire passer du courant (Grille plus "basse" que la Source). Le courant circulera de la Source vers le Drain (flèche verte).

Je sais qu'ils portent mal leur nom mais j'y peux rien... Il faut se souvenir que Canal N = Vgs Positive, et Canal P = Vgs Négative.

Aussi, comme leur symbole le montre, il y a l'équivalent d'une diode Zener entre le Drain et la Source (qui change d'orientation selon le type).
Pas la peine de savoir comment un telle diode fonctionne, il faut juste savoir que ça indique deux choses:

  • Si on inverse le Drain et la Source par accident, le courant passera tout le temps, comme si il y avait un fil.
  • Si le transistor est bloqué (Vgson pas atteint), et que la tension Vds est trop grande ou trop petite, le courant va se mettre à passer. Cette tension est assez grande, au moins 40V ou -40V.
    Le courant max qui peut circuler de force est souvent appellé "Avalanche current" et n'est pas très grand (une dizaine d'ampères). Si on le dépasse, pouf.
Vdsmax est positive.
Si Vds > Vdsmax, le courant se met à passer.
Vdsmax est négative.
Si Vds < Vdsmax, le courant se met à passer.

Comme les batteries utilisées dans les AEG ont des tensions de l'ordre de 10V seulement, on n'aura jamais à s'occuper de Vds, Vdsmax et du courant d'avalanche en fait.
J'ai raconté ça juste pour vous faire chier.

Par contre le reste, c'est important. Surtout ce qui concerne Vgson et la diode intégrée.

 

Comment ça marche: Entre le moteur et la queue de détente

Le premier but d'un mosfet est d'éviter l'usure des contacts de la queue de détente en empêchant des étincelles de se produire.
Les étincelles déteriorent le matériau des contacts, et le rend de plus en plus résistant au courant (voir même complètement isolant).
S'en suit une perte de puissance, une usure plus rapide la batterie, des faux-contacts et des emmerdes généralisées.

Comme on peut le voir sur le graphique, les moteurs provoquent un pic de courant quand ils démarrent parce qu'ils ont besoin de "décoller" (se mettre à tourner). Une fois qu'ils sont lancés et qu'ils tournent à vide (sans forcer), le courant reste constant.
Plus le moteur doit forcer, plus le courant va augmenter. C'est comme ça qu'on les crame en les bloquant...

Ici on a pic à 4.5A, et un courant à vide de 2.5A.
Notez bien que le pic ne dure pas plus d'un dixième de seconde, mais que c'est suffisant pour causer des dégats.

On a alors recours à un FET pour assurer la commutation de ce courant à la place de la queue de détente.
Elle ne va donc plus être directement reliée au moteur, mais va servir à commander le FET, qui à son tour va commander le moteur.

Ne faisant passer plus que quelques µA (microampères), elle ne risquera plus rien.

 

En pratique, ça reste très simple: il suffit d'un FET Canal N et de deux résistances.

R1 sert à protéger la Grille quand on appuie sur la queue de détente, seulement au cas où il y aurait un mauvais branchement.
On peut ne pas l'utiliser si on est sûr de soi.

R2 sert à rendre le transistor bloqué par défaut, quand la queue de détente est relâchée.
En effet, sans tension de commande les FET peuvent accumuler une charge sur leur Grille et faire de l'auto-allumage.
Cette résistance permet à cette charge de se barrer à la masse et donc de ne jamais s'accumuler.

  • Quand on ne tire pas, Vgs = 0V, le courant ne passe pas, le moteur ne tourne pas.
  • Quand on tire, Vgs = +Vbat (tension de la batterie), le courant passe et le moteur tourne.

Bien sûr, si la batterie est naze et ne fournit pas une tension supérieure à Vgson, le moteur ne tournera pas.

 

Comment ça marche: Le freinage

Le second but d'un mosfet est de forcer le moteur à s'arrêter net lorsque la queue de détente est relâchée.
En temps normal, lorsque le moteur n'est plus alimenté, il continue de tourner à cause de sa propre inertie.
L'inertie peut être gênante pour la réactivité, et l'arrêt pendant la compression du piston rend le ressort pas content.

Un deuxième FET peut alors être utilisé pour forcer le moteur à s'arrêter rapidement.
Son rôle est de court-circuiter un court instant le moteur. Ca ne consomme pas de courant et ça l'arrête immédiatement.
Il faut cependant bien prendre soin de couper l'alimentation du moteur avant de le freiner, car si les deux FET sont passants en même temps, c'est la batterie qui est court-circuitée !

En pratique, ça se complique un peu:

En plus d'avoir besoin d'une temporisation pour le freinage, on ne va plus pouvoir utiliser la masse comme réference pour commander le second FET (la masse est déconnectée quand la queue de détente est relâchée, on peut pas avoir de Vgs !).

Pour la temporisation, on peut éviter d'avoir à faire à des circuits intégrés en utilisant un condensateur.
Pour la tension de commande, on va devoir faire réference à la tension de la batterie (il ne reste que ça d'utilisable).
Le problème, c'est que pour commander ce transistor, il faudrait une tension supérieure à celle de la batterie (Vgs doit être positif). C'est fort ennuyeux.

On va donc utiliser un FET Canal P pour profiter de leur Vgson négatif.
Il va donc falloir le commander avec la tension de la batterie lorsque le moteur tourne (Vgs = 0V, bloqué, pas de freinage), et le rammener à une tension inférieure lorsque le moteur s'arrête (Vgs = -Vbat, freinage).

Conservons le premier montage, ajoutons le second transistor (T2) aux bornes du moteur, ajoutons sa resistance de protéction (R3), et sa résistance de tirage (R4) pour le rendre bloqué par défaut.

Maintenant vient le condensateur, qui sera placé entre les deux grilles.
N'ayez crainte, même avec un condensateur ça reste simple. Voilà comment le tout va fonctionner:

  • Quand la batterie va être connectée, le condensateur va se charger assez rapidement par R4 pour atteindre +Vbat de son côté positif.
    Comme prévu, il n'y aura donc pas de différentre entre la Grille et la Source de T2 (Vgs = 0V), il sera bloqué et ne servira à rien.
    En bas, le tout reste simplement à la masse, le transistor T1 reste bloqué également.

 

  • Quand on va appuyer sur la gâchette, le transistor T1 va devenir passant comme dans le premier montage et faire tourner le moteur.
    Le condensateur va avoir son côté négatif passer subitement de 0V à +VBat, ce qui va créer un pic de tension de son côté positif (qui était à +VBat, et qui passe donc à VBat+VBat).
    C'est pas très gentil pour T2 de mettre son Vgs à 10V, mais il supporte très bien et reste sagement bloqué (OSEF).
    Tant que la queue de détente est appuyée, le tout reste dans cet état. Le pic de tension se calme en se déchargeant rapidement dans la batterie.
  • Quand on va relâcher la gâchette, le transistor T1 va redevenir bloqué comme dans le premier montage et couper l'alimentation du moteur.
    Le condensateur va agir de la même façon que précedement, mais dans l'autre sens cette fois.
    Ayant +VBat de chaque côté, il va se retrouver subitement avec 0V du côté négatif, ce qui va créer un nouveau pic tension sur son côté positif (qui passera de +VBat à VBat-Vbat = 0V) ce qui va donc rendre passant T2 et freiner le moteur durant ce pic.
    Ce pic de tension va se calmer comme l'autre, le temps que le condensateur se recharge. Voilà la temporisation !

La durée du freinage est donc simplement déterminée par la valeur de R1, du condensateur et de Vgson de T2. Plus les valeurs sont grandes, plus le freinage est long.
En général il faut au moins 70ms pour arrêter efficacement les moteurs utilisés dans les AEG.

 

Comment ça marche: L'ajustement de vitesse

DIDN'T WRITE SORRY GUYS.

 

footer
symbol symbol symbol symbol symbol